黄 山1,巴发海2,李 凯2

(1.上海大西洋焊接材料有限责任公司,上海 201201;2.上海材料研究所,上海 200437)

摘 要:研制了一种低合金钢用埋弧焊焊丝,以 Q345B钢板作为母材进行焊接。对熔敷金属的 化学成分、显微组织和力学性能进行分析。结果表明:焊丝及熔敷金属的化学成分符合设计要求, 熔敷金属显微组织为无碳化物贝氏体,熔敷金属的屈服强度为560 MPa~590 MPa,抗拉强度为 640MPa~675MPa,断后 伸 长 率 不 小 于 25.0%,断 面 收 缩 率 不 小 于 73%,维 氏 硬 度 为 225~ 230HV,冲击转变温度为-55~-50 ℃,熔敷金属的扩散氢含量小于4.0mL/100g。

关键词:焊丝;埋弧焊;低合金钢 中图分类号:TG423 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)07-0072-04

低合金钢是在碳素钢的基础上,加入一定量的 合金元素构成的。合金元素的加入提高了材料的抗 拉强度以及韧性,使材料可以满足石油化工、电力能 源、船舶制造、桥梁建筑等领域的需求,低合金钢多 采用焊接的方式连接[1-3]。

随着工业化进程的发展,国内低合金钢的焊接 技术也逐渐成熟,各种技术规范已经较为完善,如 GB/T 17493—2018 《热 强 钢 药 芯 焊 丝 》、 GB/T2650—2008 《焊 接 接 头 冲 击 试 验 方 法 》、 GB/T2652—2008 《焊 缝 及 熔 敷 金 属 拉 伸 试 验 方 法》等标准规范。截至2022年,国内关于低合金钢焊接的专利申请已经达到300余件。国内低合金钢 焊接的低端产品在全球占有较大份额,但是高端产 品往往缺乏竞争力。笔者研制了一种低合金钢用埋 弧焊焊丝,研究了该焊丝的焊接工艺性能、熔敷金属 的显微组织、力学性能及不同焊后热处理工艺对焊 丝组织及力学性能的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 焊丝成分设计

焊丝成分设计主要考虑以下4个方面。 (1)焊缝强度:碳元素可以提高熔敷金属的抗 拉强度与硬度,但碳元素含量过高会降低其焊接性 以及冲击韧性。加入锰元素可以进一步提高焊缝的 韧性,钼元素在一定含量范围内也有利于提高焊缝的韧性和淬透性。碳、锰元素均为形成奥氏体的元 素,可以提高奥氏体在室温下的稳定性。

(2)焊 缝 脆 化:氢、氮、氧、磷、硫 等 元 素 会 造 成焊缝脆化,并且焊 剂 会 向 熔 敷 金 属 过 渡 一 定 量 的磷、硫元素。在焊丝 化 学 成 分 设 计 时,将 磷、硫 元 素 含 量 尽 可 能 控 制 在 钢 厂 能 够 达 到 的 最 低 要 求。

(3)冲击韧性:锰、镍 元 素 含 量 对 熔 敷 金 属 的 低温冲击韧性有重要的影响,研究表明:当锰元素 含量为0.6%时,熔敷金属韧脆转变温度随镍元素 含量的提高而降低; (4)辐照脆化:在焊丝化学成分设计时,镍元素 含量需要控制在一定的范围,铜、磷元素含量尽可能 控制在较低的水平[4-7]。

1.2 焊接条件

母材 选 用 Q345B 钢 板,规 格 为 30 mm × 200mm×500mm(长×宽×高),试样加工坡口角 度为 (10+10)°,间 隙 为 30 mm。 焊 丝 直 径 为 4mm,焊接电流为560~620A,电弧电压为28~ 32V,焊接速率为400~500 mm/min,焊接线能量 为23~27kJ/mm,为了减少热应力,母材预热温度 为200~250 ℃。 为了消除 焊 接 应 力,提 高 熔 敷 金 属 的 综 合 性 能,需对其进行焊后热处理,升温和冷却速率均为 50 ℃/h,保温温度 为 610 ℃,保 温 时 间 分 别 为 2, 24h。

1.3 试验方法

除弯曲试验之外,其他理化检验取样位置均为 距离上表面10mm 处。 按照 GB/T25777—2010 《焊接材料熔敷金属 化学分析试样制备方法》,取样部位表面经砂轮打磨 后 清 洗,以 去 除 油 污、氧 化 皮 等 缺 陷。 采 用 ARL4460型光电直读光谱仪、TCH600型氮氢氧分 析仪、CS600型红外碳硫分析仪等设备,测定焊丝以 及熔敷金属的化学成分。

在焊缝中心位置垂直于焊接方向取样,且至少包括两焊道搭接的区域。试样表面抛光后采用4% (体积 分 数)硝 酸 酒 精 溶 液 侵 蚀。用 LEICA DMI 5000M 型数字式倒置光学显微镜观察焊缝金属的 显微组织。 依据 GB/T2652—2008,取 样 加 工 成 直 径 为 10mm 的等截面圆棒试样,平行段长度为60 mm。 在ZwickZ400型电子万能试验机上对熔敷金属进 行拉伸性能测试。弹性段及屈服段的拉伸速率为 1mm/min,屈服后拉伸速率为25mm/min。

根 据 GB/T 2650—2008,冲 击 试 样 尺 寸 为 10mm×10mm×55 mm(长×宽×高),缺口为 V 型,深度为2 mm。在 ZBC2302N-2 型摆锤式冲击 试验机上对试样进行冲击试验,试验机最大冲击能 量为300J。 采用全自动维氏硬度测试系统对熔敷金属的硬 度进行测试,标尺为 HV10。每个试样打3点,取其 平均值作为最终的硬度测试结果。

根据 GB/T2653—2008 《焊接 接 头 弯 曲 试 验 方法》,试 样 为 非 减 薄 全 厚 度 试 样,采 用 SANS BHT5106型弯曲试验机对焊接板进行面弯与背弯 弯曲试验。压 头 直 径 取 4 倍 试 样 厚 度,弯 曲 角 度 为180°。 根据 GB/T3965—2012《熔敷金属中扩散氢测 定方法》,采用水银法扩散氢含量测定仪测定熔敷金 属的扩散氢含量。

2 试验结果与分析

2.1 化学成分

对成品焊丝进行化学成分分析,结果如表1所 示。由表1可知:焊丝中碳、硅、锰、镍、钼等主要合 金元素含量都在设计目标范围内,磷、硫元素含量满 足设 计 要 求,可 得 其 回 火 脆 化 敏 感 系 数 X 为 10.2mg/mL,再热裂纹敏感性 ΔG 为-0.2。熔敷 金属的化学成分如表2所示,可得其回火脆化敏感 系数 X 为 6.6 mg/mL,再 热 裂 纹 敏 感 性 ΔG 为 -0.2。一般要求 X≤15mg/mL,ΔG≤0。

2.2 焊缝显微组织

图1为610 ℃下保温2,24h时熔敷金属的显 微组织形貌。由图1可以看出:热处理保温时长为 2h时,熔敷金属的显微组织为条片状铁素体+残 余奥氏体构成的无碳化物贝氏体;热处理保温时长 由2h提高到24h时,熔敷金属的显微组织未发生 显著变化,熔敷金属中未出现马氏体等有害组织。 贝氏体转变温度介于珠光体与马氏体之间,贝氏体、 铁素体中碳原子扩散较弱,产生了固溶强化作用,提 高了基体的抗拉强度[8-9]。

2.3 熔敷金属力学性能

610 ℃下保温2,24h时熔敷金属的拉伸性能 测试结果如表3所示。由表3可知:保温2h时,熔 敷金 属 的 抗 拉 强 度 达 到 675 MPa,屈 服 强 度 达 到 590MPa,断 后 伸 长 率 为 25.0%,断 面 收 缩 率 为 73%。延长保温时间至24h,熔敷金属的抗拉强度 和屈服强度下降,断后伸长率与断面收缩率提高。

610 ℃下保温2,24h时熔敷金属冲击性能测 试结果如表4所示。由表4可知:在不同的保温时 间下,熔敷金属冲击吸收能量较为接近。采用双曲 正切方程拟合冲击吸收能量-温度曲线,结果如图2 所示,可得保温时长为2h,24h时的冲击转变温度 分别为-50 ℃,-55 ℃。可见较低的转变温度可 以降低材料服役过程中产生低温脆断的风险。

对保温时间为2,24h时的焊接板分别进行了面 弯与侧弯试验,结果均未出现特征性裂纹,单个裂纹、 气孔和夹杂物等长度均小于3.0mm。

维氏硬度试验结果表明:保温时长为2h时,试 样硬度 为 225 HV,保 温 时 长 为 24h 时,硬 度 为 230HV,两者相差不到5%。

2.4 扩散氢试验

焊接过程中产生的氢气在熔池冷却、凝固过程 中,以氢原子或氢离子的形式存在于焊缝中,随着时 间的推移,这部分氢原子或离子会扩散、聚集到位 错、裂纹及非金属夹杂物处,形成了扩散氢,导致焊 接接头出 现 氢 致 裂 纹,降 低 了 焊 接 接 头 的 综 合 性 能[10]。通过水银法测定熔敷金属的扩散氢含量为 3.7mL/100g,达 到 了 焊 材 超 低 氢 的 要 求 (≤4.0mL/100g)。

3 结论

(1)研制了一种适用于低合金钢的埋弧焊焊 丝,焊丝的化学成分符合设计要求。

(2)熔敷金属的显微组织为无碳化物贝氏体, 综合性能较好。

(3)不同焊后热处理保温时间下熔敷金属的拉 伸、硬度、冲击等性能接近。

(4)熔敷金属的扩散氢含量达到了焊材超低氢 的要求。

参考文献: [1] 唐兴昌,王向飞,张志坚.低碳贝氏体高强钢的析出行 为及强化机理 研 究 [J].热 加 工 工 艺,2018,47(16): 92-96. [2] 张敏,杜明科,张云龙,等.Q345B 低碳钢/20Mn23Al 无磁钢异种钢焊接接头的组织及性能[J].机械工程 材料,2021,45(8):66-71. [3] 刘五兵,王文君,王世清,等.高强度低合金结构钢组 织性能试验研究[J].石油化工设备,2022,51(2):6- 10. [4] 刘朝霞,刘俊,孟羽,等.低碳贝氏体高强钢焊接工艺 及冲击韧性研究[J].宽厚板,2021,27(2):11-14. [5] 朱官朋,王亚彬,张文军.元素 Ni对低合金钢焊缝金 属性能影 响 [J].材 料 开 发 与 应 用,2020,35(4):32- 36. [6] 赵美兰,赵玥,张哲.合金元素对反应堆压力容器用低 合金钢的影响[J].一重技术,2015(6):34-38. [7] 高岩,杨靖瑜,吴闯,等.低合金钢中合金元素对基体 的作用及性能影响[J].沈阳师范大学学报(自然科学 版),2011,29(4):510-513. [8] 赵勇桃,鲁海涛,王玉峰,等.不同钢中马氏体与贝氏 体组织形 貌 [J].钢 铁 研 究 学 报,2018,30(11):922- 927. [9] 王正云,栾道成,李京筱,等.800 MPa级高强钢埋弧 焊用 烧 结 焊 剂 的 研 制 及 性 能 [J].机 械 工 程 材 料, 2017,41(12):22-25. [10] 宗杰,蒋志强.熔敷金属中扩散氢含量的测定[J].理 化检验(物理分册),2017,53(12):879-881.